Caracterización y estudios de regímenes en circulación natural e inestabilidades termohidráulicas en instalaciones de interés nuclear

Abstract

En esta tesis se presenta un estudio de inestabilidades estáticas en sistemas de interés nuclear como instalaciones experimentales a escala de reactores tipo PWR y tipo CANDU, funcionando en circulación natural en simple y doble fase. La circulación natural se establece por un balance entre las fuerzas de fricción y las de flotación entre las ramas calientes y frías. Este mecanismo de circulación es el que ocurre durante incidentes operacionales y accidentales, y suele ser susceptible a las inestabilidades. Las posibles inestabilidades, como por ejemplo de dos canales en paralelo, pueden dar origen a una redistribución de caudal entre ellos, por ejemplo, degradando la transferencia térmica o induciendo otras inestabilidades. Se realizaron en este tesis modelos analíticos de canales paralelos verticales y en forma de U invertidos para estudiar inestabilidades estáticas. Adicionalmente, se han realizado modelos más detallados en códigos de sistemas usados en verificaciones para seguridad nuclear, como RELAP5 o TRACE5. Estos análisis están motivados porque en los núcleos de los reactores pueden encontrarse canales en paralelo con ingreso de un fluido subenfriado, o en los tubos en U invertidos como en los generadores de vapor con ingresod e un flujo saturado y operando en circulación natural pueden ser inestables. El estudio en códigos y modelos analíticos de dos canales verticales en paralelo fue extendido a un número mayor de canales, hasta 14. Se observó que las bifurcaciones de caudal (redistribuciones) aparecían de a pares. Si el número total de canales era N, el caudal aumentaba en uno de los canales y disminuía en los otros N-1. En base a estos resultados se estudió la estabilidad lineal de un conjunto N de canales en base a mapas de estabilidad establecidos en función de números adimensionales. A partir del conjunto de ecuaciones características para un determinado número de canales se encontró una condición necesaria (aunque no suficiente) para establecer las condiciones de estabilidad. De las condiciones de estabilidad se obtuvieron los mapas con el modelo analítico y se compararon con algunos casos de resultados de los modelos utilizando los códigos de sistemas. Los análisis anteriores se realizaron también para tubos en U invertidos y en paralelo, obteniéndose resultados similares a los comentados. En los casos señalados se presentan inestabilidades estáticas cuando el caudal de circulación ingresa en la región inestable de las curvas características de casa sistema. Si el sistema está formado por un conjunto de canales verticales en paralelos, estas inestabilidades aparecen cuando se alcanza la ebullición y el caudal de uno de los canales se encuentra en la zona inestable. Estas inestabilidades producen redistribuciones de caudal entre los canales verticales, las cuales sido observadas experimentalmente en referencias bibliográficas. Teniendo en cuenta que estos son fenómenos pueden ocurrir en sistemas de interés nuclear, se simularon en instañaciones experimentales como la SEMISCALE y la RD14M, usando tubos en U invertidos en paralelo para representar los generadores de vapor. También se hicieron pruebas en problemas de interés académico como el circuito de Welander, estudiado desde hace cinco décadas. De aquí se obtuvo que en los generadores de vapor de las instalaciones experimentales durante circulación natural en doble fase puedan surguir inestabilidades estáticas o bifurcaciones de caudal en los mismos. Cabe agregar que la aparición de estas inestabilidades puede dar origen a otras como por ejemplo, de ondas de densidad, las cuales han sido capturadas en los códigos de sistemas.